JP4912522B2 - Ceramic turbine nozzle - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は概してガスタービンエンジンに関し、より具体的にはそのタービンノズルに関する。
【0002】
【従来の技術】
ガスタービンエンジンでは、空気がコンプレッサーで加圧され、燃焼器で燃料と混合されそして点火されて高温の燃焼ガスを発生し、この高温の燃焼ガスが下流のタービン中に流れ込み、タービンでガスからエネルギーを抽出する。タービンは、一体の外側及び内側バンドにより支持された複数の円周方向に離れて配置されたノズル羽根を有するタービンノズルを含む。高圧タービンノズルは最初に、最も高温の燃焼ガスを燃焼器から受け、支持ディスクから半径方向外方に延びる複数の円周方向に離れて配置された動翼を有するタービンロータにそれらのガスを流す。
【0003】
全体的なエンジン効率は燃焼ガスの温度に直接関係し、燃焼ガスの温度はガスによって熱せられる様々なタービン構成部品を保護するために制限されなければならない。高圧タービンノズルは、適当な耐用寿命を考えて燃焼器からの高温燃焼ガスに耐えなければならない。これは一般に高温で強度を保持する超合金材料を用いることと、コンプレッサの空気の一部をタービンノズルにおける冷却媒体として使用する目的で分流することとによって実現される。
【0004】
超合金の強度には限度があり、分流されるコンプレッサの空気はエンジンの全体的な効率を減ずる。従って、エンジンの効率は、適当な超合金の利用可能性及びタービンノズルを冷却するためにコンプレッサの空気を分流する必要性により事実上制限される。
【0005】
タービンノズルの温度性能をさらに増し、タービンノズルのために分流される冷却空気の使用を削減するようにタービンノズルを改善するために、セラミック系材料が考えられている。しかしながら、この目的のために利用可能な従来のセラミック材料は、延性がほとんどなくその耐用年数を制限するその破損損傷を防ぐためには特別な取り付け構造を必要とする。
【0006】
ノズルは、三次元の空力荷重及びそれを通しての温度勾配の影響下にある羽根の環状の組立体であるため、タービンノズルの設計はさらに複雑になっている。タービンノズルは、運転中に膨張したり収縮したりし、その結果熱応力を生じる。
【0007】
モノリシック・セラミックは簡単に成形できるが、その一体的な接合点で比較的に脆弱である。セラミック母材の複合材(CMC)は、機械的強度を増大させる意図でセラミック母材にセラミック繊維を採り入れる。繊維は結合母材に強度を与える。しかしながら、セラミック繊維はほとんど延性を有しないため、曲げたりまたタービンノズルのような複雑な三次元構成部品において要求される移行に対応するには不十分な能力しか備わっていない。
【0008】
従って、ガスタービンエンジンの厳しい環境に耐えるためにセラミックから形成される改良されたタービンノズルを供給することが望まれる。
【0009】
【発明の開示】
タービンノズルはセラミックの外側及び内側バンドを含み、セラミック羽根前部分がそれに一体的に結合されている。セラミック羽根後部分は両端でバンドの相補的ソケットに嵌合して(とじ込められて)いる。
【0010】
【発明の実施の形態】
好ましいかつ例示的な実施形態に従って、本発明を、そのさらなる目的と利点とともに、添付の図面に関連してなされる以下の詳細な記述により具体的に説明する。
【0011】
図1に示されるのは、ガスタービンエンジン用の環状の高圧タービンノズル10の1部であり、高温の燃焼ガス12をノズルに排出するガスタービンエンジンの燃焼器の下流に位置している。ノズルはセラミックのアーチ形になった外側及び内側バンド14,16を含む。バンドはリングのセグメントであってもよいしあるいは要求があれば連続したリングであってもよい。
【0012】
円周方向に離れて配置された複数のセラミック羽根18が外側及び内側バンドの間に取り付けられるが、図1には、例示的なノズルセグメントを示すために2枚の羽根が図示されている。それぞれの羽根は図2により詳細に示されるような適当な翼形状を有し、軸方向に対向する前縁18a及び後縁18bを含み、それらが円周方向即ち横方向に対向する正圧側面18c及び負圧側面18dを互いに結合する。従来の慣行に従って燃焼ガスの向きを変える必要から、正圧側面18cは普通凹状であり負圧側面18dは普通凸状である。
【0013】
実際に役立つセラミック・タービンノズルを構成するためには、それぞれの羽根18が1組の相補的な羽根部分によって画成される。羽根前部20は、構造的強度を備えるために単体のすなわち一体型の組立体として半径方向の両端でバンド14,16のうちの対応するバンドと一体的に結合される。羽根後部22は、バンド14,16のうちそれぞれのバンドにある相補的ソケット24に嵌合される対向する半径方向外側及び内側端22aを有する。
【0014】
この構成では、羽根部20,22は両方とも、低い延性のセラミックが用いられているにもかかわらず、運転中に適当な強度を実現するようにタービンノズルに必要な複雑な三次元構成においてセラミックで形成され得る。
【0015】
図1及び図2に示される好ましい実施形態においては、各羽根前部分20は、環状のタービンノズルが調整された方向性強度を有し、そして一体型のバンド14,16と強力に結合するために従来のセラミック母材の複合材(CMC)を用いて形成され得る。これらの図に概略的に示されるように、前部分20は適当なセラミック母材20b中にセラミック繊維編組20aを含むのが望ましい。従来のセラミック母材の複合材が利用可能であるが、炭化ケイ素母材(SiC)中に炭化ケイ素繊維(SiC)を含むものとすることができる。その繊維と母材は、最初は、一般的に柔軟性がある素地の状態の適当な母材に含まれており、処理されつまり硬化して最終的なセラミック状態になる。
【0016】
図3に示される好ましい実施形態においては、セラミック繊維編組20aは最初は途切れることのない管状の連続した繊維の形状をしている。その管は羽根前部分の所望の輪郭を有する適当な工具類を用いて簡単に成形される。外側及び内側バンド14,16は、強度を増大するため前部分編組20aと共に適当に積層され得るCMC積層体14a,16aの形状であることが望ましい。
【0017】
もっと具体的に言えば、図3に示される編組管20aは、バンド積層体と共に積層するための一体的移行部を備えた張り広げられたつまりキノコ状をした両端20cの形状にスリットを入れられた長手方向両端を有することが望ましい。前部20及びバンド14,16は両方とも、望ましくは同一のセラミック母材に同一のセラミック繊維を用いたCMCで形成されることが望ましい。
【0018】
編組管20aは、バンド間に必要な半径方向の広がりをもって完成した翼形部の前縁部を形成するように構成され、そして、張り広げられた端20cは部分的にそれらのバンドを形成するように対応するバンドに沿って向け直され得る。円周方向に隣接する前部分の張り広げられた端は、バンドの周囲に沿ってお互いに隣接し、バンドはその他は必要なバンドの形状になるようにCMCテープまたは織物積層体を用いて完成される。処理されすなわち硬化すると、素地の前部分及びバンドはその最終セラミック状態で堅まり、これらの構成部品の一体構造組立体となる。
【0019】
この組立体の特別な利点は、羽根前部分20がそれの織り合わされた繊維により最高の強度性能を有する編組管で形成されることである。それらの繊維はセラミックであるので、ほとんど延性を有しないがそれでも張り広げられた端20cのあるなしにかかわらずバンドと一体的に形成され得る。
【0020】
図3に示されるように、編組20a中のセラミック繊維は、前部分とバンドの間に形成される最終のコーナー丸み部分にわたって羽根前部分から対向する外側及び内側バンドへ傾斜角度Aで移行するのが望ましい。比較的に剛性のあるセラミック繊維による羽根とバンドの交差部での結果として生じる丸みを最小にするためには、好ましい実施形態では傾斜角度は約45°までならよい。
【0021】
従って、張り広げられた編組端20cは、そこに積層される外側及び内側バンド14,16との一体構造を提供し、タービンノズルに対して主たる強度を提供する。編組端はバンド積層体とクロスステッチにするかまたはバンド積層体と重ね合せにすることができる。羽根前部分及びバンド中のセラミック繊維は、運転中に受ける三次元の荷重及び温度差に対して要求される方向でのノズル強度を最大にする方向に優先的に向けることができる。
【0022】
図2で初めに示されるように、それぞれの羽根18は、比較的に大きい半径の前縁18a及び比較的に薄い半径の後縁18bを備える空気力学的な三日月形の輪郭を有する。後縁の半径は、ノズルの空力性能を最大にするために必要な一般に約10ミルである。そのような薄い後縁は、セラミック構造に固有の制約を考慮すると複合材のタービンノズルの設計をさらに複雑なものにする。セラミック繊維はほとんど延性を備えていないので、それらの繊維を薄い後縁に必要な小さな半径の周りに曲げるのは一般的に不可能である。さらに、CMC複合材の層の厚さもまた一般的には薄い羽根後縁の厚さよりは大きい。
【0023】
羽根は燃焼ガスを流すように構成されるていので、羽根は運転中にガス圧によって高い負荷を受け、またガスの高温に曝され温度差による熱膨張及び収縮を引き起こす。そして、羽根後縁は比較的に薄いので、それの冷却を行える空間を設ける余地はほとんどない。
【0024】
従って、図1から図3までに示される好ましい実施形態においては、各羽根後部分22はその中に強化セラミック繊維のないモノリシック・セラミックから成る。モノリシック・セラミックは窒化ケイ素(Si3N4)のような従来型のものである。羽根後部分22は高靭性モノリシック・セラミックで形成されるのが望ましいけれども、それらは一般に前部分20に見られる向きとは異なる向きにその中の強化セラミック繊維を備えたセラミック複合材で形成してもよい。
【0025】
例えば、前部分20中の繊維は傾斜方向の角度Aに向いているのが望ましいのに対して、後部分22に用いられる繊維は、後縁の半径方向の強度を増すために後部分の両端の間で半径方向に延びるていのが望ましいであろう。後部分における繊維の好適な半径方向の向きを考慮すると、或いは後部分の他の態様のモノリシック構造を考慮すると、後部分の外側及び内側バンドへの特別な取付けがノズル組立体及びその強度を補っている。
【0026】
上記のように、羽根後部分22は一体になった前部分及びバンドから分離し異なるものであることが望ましい。前部分及びバンドにより画成される構造枠を用いて、個々の後部分をそれらが対応する前部分に隣接する位置に機械的に嵌合し、個々の空力羽根を完成するのが有利である。
【0027】
図1及び図3に示されるように、各後部分の半径方向の外側及び内側両端22aには、後部分から延び出る軸方向に細長い支持キーを形成するのが望ましい。その支持キー22aは、対応する外側及び内側バンドに形成される相補的な座すなわちソケット24に簡単に嵌合され、それぞれの後部分を外側及び内側バンドの間に保持し羽根にかかるトルクをバンドに搬送する。この構造では、後部分は、それらが嵌合される外側及び内側バンドに対して半径方向に膨張したり収縮したりすることが可能である。そして、後部分にかかる空力トルク負荷は、支持キー22aを介して対応するバンドで担持される。
【0028】
このようにして、CMC羽根前部分20は、セラミック繊維で強化された外側及び内側バンドと共に構造枠を構成する。また、薄い羽根後部分は空力性能を最大にするために特別の輪郭形状とすることができ、嵌合によってバンドの間に保持することができる。したがって、他の実施形態では、後部分は実行可能なら繊維で強化しているが、モノリシック・セラミックは後部分に選択的に有利に用いることができる。
【0029】
例えば図2に示される2部分からなる構造においては、望ましくは羽根後部分22は羽根前部分20から間隔を置いて配置され、それらの間に小さな間隙26を設けている。羽根部分20,22のどちらか一方又は両方はコンプレッサの抽気空気等の冷却媒体28をその中に流すために、半径方向に中空にすることができる。各部分はまた間隙内に隠された列になった吐出孔30を含むこともでき、運転中に間隙の中へ冷却媒体を吐出する。このようにして、冷却媒体がなんらかの適当な方法でその内部冷却するために各羽根部分を貫通して流され、その後冷却媒体は間隙26の中へ吐出され後部分の外側表面を覆うように下流に流れるにつれて、冷却空気の膜を形成する。
【0030】
差圧が運転中に各羽根の両側面18cと18dとの間に生じるので、各羽根は図2に示すように間隙26内で羽根前部分20と後部分22の間に配置されるシール32を含み、そこを流れる流体をシールするのが望ましい。シール32は、間隙26を画成する面の相補的な凹陥に嵌装されたセラミックロープのシールのようなどのような適当な構成をしていてもよい。シールは高温の燃焼ガスが間隙26を介して流れるのを阻止する一方、シールの両横方向側面上を間隙26を介して冷却媒体28が吐出するのを可能にしている。
【0031】
図3は、図1及び図2に示されるセラミック・タービンノズル10の好ましい製造法の概略を示す。各羽根後部分22は、例えばモノリシック材料を後部分の所望の構成に成形する等どのような適当な方法ででも予備成形されることが望ましい。
【0032】
個々のセラミック繊維管20aは、その素地の状態で羽根前部分の所望の形状に形成され、対応する後部分22を補完し、両者によって個々の羽根18を構成する。各前部分の張り広げられた端20cはその後素地の状態で外側及び内側バンドのセラミック織物と積層される。
【0033】
このようにして、前部分及びバンドのセラミック構成要素は適当な工具または型枠を使って要求される形に形成されるかモールドされ、個々の予備成形された後部分22がそれに組み合わされる。したがって、後部分は組立工程においてバンドの間であって対応する前部分の後方に嵌合される。
【0034】
次ぎに、素地のバンドと前部分は従来の方法で処理されるかまたは硬化され、後部分がその中に機械的に嵌合された硬化したセラミックノズルを形成する。
【0035】
この好ましい構成では、羽根後部分22は、強化セラミック繊維をもたないモノリシック・セラミックのような前もって硬化処理されたセラミックであることが望ましい。そして、羽根前部分20及びバンド14,16は、その中に強化セラミック繊維を有するセラミック母材の複合材構造であり、構造的に一体のものとなりまた組立体全体に強度を与える。
【0036】
この構造では、管編組20aの強度上の利点が羽根前部分をバンドと一体化するために用いられ、羽根後部分22はバンドに機械的に保持されるか又は嵌合される。後部分は軸方向及び円周方向にバンドに保持されるが、支持ソケット24内でバンド間で半径方向に自由に膨張したり収縮したりする。
【0037】
セラミック母材の複合材及びモノリシック・セラミックのそれぞれの利点を選択的に用いて、タービンノズルをその一体性と耐久性を最大にするように構成する。羽根前部分及び後部分20、22の相対的な大きさは、CMC及びモノリシック・セラミック材料の製造能力の要求に合わせて調整することができる。
【0038】
本明細書では本発明の好ましい例示的な実施形態と思料するものについて説明してきたが、本発明のその他の形態は本明細書の教示内容から当業者には自明であり、本発明の技術的思想及び技術的範囲に属するかかる形態すべてが特許請求の範囲で保護されることを望むものである。
【0039】
従って、特許による保護を望むのは、請求項に規定され特徴付けられた発明である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の例示的な実施形態による環状のセラミック・タービンノズルのセグメントの等角図。
【図2】 図1に示されたセラミック羽根の1つを線2−2に沿って見た半径方向断面図。
【図3】 図1及び図2に示されたセラミック・タービンノズルの例示的な製造法のフローチャート図。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates generally to gas turbine engines, and more specifically to the turbine nozzle.
[0002]
[Prior art]
In a gas turbine engine, air is pressurized with a compressor, mixed with fuel in a combustor and ignited to generate hot combustion gases that flow into the downstream turbine, where the energy from the gases is absorbed by the turbine. To extract. The turbine includes a turbine nozzle having a plurality of circumferentially spaced nozzle vanes supported by integral outer and inner bands. The high pressure turbine nozzle initially receives the hottest combustion gases from the combustor and flows them through a turbine rotor having a plurality of circumferentially spaced blades extending radially outward from the support disk. .
[0003]
Overall engine efficiency is directly related to the temperature of the combustion gas, which must be limited to protect the various turbine components that are heated by the gas. The high pressure turbine nozzle must withstand the high temperature combustion gases from the combustor for an appropriate service life. This is generally achieved by using a superalloy material that retains strength at high temperatures and diverting a portion of the compressor air for the purpose of use as a cooling medium in the turbine nozzle.
[0004]
Superalloy strength is limited, and the shunting compressor air reduces the overall efficiency of the engine. Thus, engine efficiency is effectively limited by the availability of suitable superalloys and the need to divert compressor air to cool the turbine nozzle.
[0005]
Ceramic-based materials are being considered to improve the turbine nozzle to further increase the temperature performance of the turbine nozzle and reduce the use of cooling air diverted for the turbine nozzle. However, the conventional ceramic materials available for this purpose require special mounting structures to prevent their breakage damage, which has little ductility and limits its useful life.
[0006]
Turbine nozzle design is further complicated because the nozzle is an annular assembly of blades that is subject to three-dimensional aerodynamic loads and temperature gradients therethrough. Turbine nozzles expand and contract during operation, resulting in thermal stress.
[0007]
Monolithic ceramics can be easily formed, but are relatively fragile at their integral joints. Ceramic matrix composites (CMC) incorporate ceramic fibers into the ceramic matrix with the intention of increasing mechanical strength. The fiber provides strength to the bond matrix. However, because ceramic fibers have little ductility, they have insufficient capacity to bend and accommodate the transitions required in complex three-dimensional components such as turbine nozzles.
[0008]
Accordingly, it would be desirable to provide an improved turbine nozzle formed from ceramic to withstand the harsh environment of a gas turbine engine.
[0009]
DISCLOSURE OF THE INVENTION
The turbine nozzle includes ceramic outer and inner bands with a ceramic blade front portion integrally coupled thereto. The rear part of the ceramic blade is fitted (captured) into the complementary socket of the band at both ends.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In accordance with the preferred and exemplary embodiments, the invention, together with further objects and advantages thereof, will be specifically described by the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings.
[0011]
Illustrated in FIG. 1 is a portion of an annular high
[0012]
Although a plurality of circumferentially spaced
[0013]
In order to construct a practical ceramic turbine nozzle, each
[0014]
In this configuration, both
[0015]
In the preferred embodiment shown in FIGS. 1 and 2, each
[0016]
In the preferred embodiment shown in FIG. 3, the
[0017]
More specifically, the
[0018]
The
[0019]
A particular advantage of this assembly is that the
[0020]
As shown in FIG. 3, the ceramic fibers in the
[0021]
Thus, the stretched
[0022]
As initially shown in FIG. 2, each
[0023]
Since the vanes are configured to flow combustion gas, the vanes are subjected to high loads due to gas pressure during operation, and are exposed to high gas temperatures, causing thermal expansion and contraction due to temperature differences. Since the trailing edge of the blade is relatively thin, there is little room for providing a space for cooling the blade.
[0024]
Accordingly, in the preferred embodiment shown in FIGS. 1-3, each vane
[0025]
For example, it is desirable for the fibers in the
[0026]
As mentioned above, the vane
[0027]
As shown in FIGS. 1 and 3, it is desirable to form axially elongated support keys extending from the rear portion at the radially outer and
[0028]
In this way, the CMC
[0029]
For example, in the two-part construction shown in FIG. 2, the trailing
[0030]
Since differential pressure occurs between the side surfaces 18c and 18d of each blade during operation, each blade is a seal 32 disposed between the
[0031]
FIG. 3 outlines a preferred method of manufacturing the
[0032]
The individual
[0033]
In this way, the front and band ceramic components are formed or molded into the required shape using a suitable tool or formwork and the individual preformed
[0034]
The green band and front portion are then processed or cured in a conventional manner to form a hardened ceramic nozzle with the rear portion mechanically fitted therein.
[0035]
In this preferred configuration, the vane
[0036]
In this construction, the strength advantage of the
[0037]
The advantages of each of the ceramic matrix composite and the monolithic ceramic are selectively used to configure the turbine nozzle to maximize its integrity and durability. The relative size of the vane front and
[0038]
While this specification has described what is considered to be a preferred exemplary embodiment of the present invention, other forms of the invention will be apparent to those skilled in the art from the teachings herein and the technical scope of the invention. All such forms belonging to the spirit and technical scope are desired to be protected by the claims.
[0039]
Accordingly, what is desired to be protected by patent is an invention as defined and characterized in the claims.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an isometric view of a segment of an annular ceramic turbine nozzle according to an exemplary embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a radial cross-sectional view of one of the ceramic blades shown in FIG. 1 taken along line 2-2.
FIG. 3 is a flow chart diagram of an exemplary method of manufacturing the ceramic turbine nozzle shown in FIGS. 1 and 2;
Claims (6)
両端で前記バンドと一体に結合されたセラミック羽根前部分(20)と、
前記バンドの相補的ソケット(24)に嵌合される両端(22a)を有するセラミック羽根後部分(22)と
を備え、
前記羽根前部分(20)がセラミック母材の複合材からなり、前記羽根前部分がセラミック母材(20b)中にセラミック繊維編組(20a)を含み、
前記編組(20a)が、前記バンドに積層された張り広げられた両端(20c)を有する管からなる
ことを特徴とする、タービンノズル(10)。Ceramic outer and inner bands (14,16);
Ceramic blade front part (20) integrally joined to the band at both ends;
A ceramic vane rear portion (22) having opposite ends (22a) fitted to the complementary sockets (24) of the band;
The vane front portion (20) is made from a composite material of ceramic matrix, seen including a ceramic fiber braid (20a) said blade leading portion in ceramic matrix (20b),
The turbine nozzle (10), wherein the braid (20a) comprises a tube having stretched ends (20c) laminated to the band .
前記羽根前部分が、セラミック母材(20b)中に前記バンドに積層される張り広げられた両端(20c)を有するセラミック繊維管状編組(20a)をさらに備えてなることを特徴とする、タービンノズル(10)。Mates with ceramic outer and inner bands (14, 16), ceramic base composite vane front part (20) integrally bonded to the band at both ends, and complementary socket (24) of the band A monolithic ceramic blade rear portion (22) having both ends (22a) to be
A turbine nozzle, wherein the blade front portion further comprises a ceramic fiber tubular braid (20a) having stretched ends (20c) laminated to the band in a ceramic base material (20b) (Ten).
前記バンドの相補的ソケット(24)に嵌合される両端(22a)を有するセラミック羽根後部分(22)を形成することと、
前記後部分(22)と相補的な関係にある羽根前部分(20)を、セラミック繊維編組(20a)を含むセラミック母材(20b)の複合材の素地から形成することと、
前記素地の前部分を前記素地の外側及び内側バンド(14,16)と積層することと、
前記後部分を前記バンドの間で前記前部分の後側に嵌合することと、
前記素地のバンド及び前記素地の前部分を硬化させ、そこに嵌合される前記後部分とで前記セラミックノズルを形成することと
を含むセラミック・タービンノズル(10)を製造する方法。Providing outer and inner bands (14, 16) made of a composite body of ceramic matrix;
Forming a ceramic vane rear portion (22) having opposite ends (22a) mated to complementary bands (24) of the band;
Forming a front blade portion (20) in a complementary relationship with the rear portion (22) from a composite matrix of a ceramic matrix (20b) comprising a ceramic fiber braid (20a);
Laminating the front portion of the substrate with the outer and inner bands (14, 16) of the substrate;
Fitting the rear portion between the bands to the rear side of the front portion;
A method of manufacturing a ceramic turbine nozzle (10) comprising: curing the base band and a front portion of the base and forming the ceramic nozzle with the rear portion fitted therein.
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US09/405529 | 1999-09-24 | ||
US09/405,529 US6200092B1 (en) | 1999-09-24 | 1999-09-24 | Ceramic turbine nozzle |
Publications (3)
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